基于模型的电动汽车控制设计

从100多年前第一辆医疗级电动车的发明，通用电气(GE)横跨家电、遥控器、发动机、发电设备等各行业领域，凭藉基于数学模型的控制系统的设计，应用在热燃机、新能源与内燃机的控制应用，能够克服非线性化因素，达到可线性化操控的目标，除发挥更大的能源？动力输出，同时节省耗能。

控制系统的设计需求与基于模型的控制设计

GE(奇异)国内研发中心电气系统研发总监康鹏举提到，GE汉语意译为通用电气公司，跟汽车界知名的GM(通用汽车)不同。GE几乎横跨所有我们所知道的行业领域，从家电、遥控机、发动机、发电设备等等，且在100多年前，GE的创始人汤玛斯˙爱迪生就发明了美国第一部医疗专用的电动车。

基于模型的控制在电动车的应用属于比较典型的学术理论，由他与周荣晖、沈祥明、赵彤等研究团队一同参与，并由他代表来讲解这种理论的应用。

一套完善的控制系统的设计，需要考虑到：1.抑制负载扰动；2.减少杂讯的影响，避免噪讯传递到你的控制系统造成影响；3.跟随指令信号；4.变化性与不确定性。

因为控制系统会随着时间而老化，控制系统必须有这能力跟随并修正、补偿控制的变化量。控制系统需要达到：消除子部件的不完善性对全系统的影响，使系统面对干扰及零组件的不确定性相对稳固，让不稳定的系统趋于稳定，并针对非线性零组件的组合，实现线性控制的行为，使得操控的行为可以被预测。

设计控制系统步骤上，首先基于物理原理建立数学方程的控制模型，在工作点附近线性化，然后简化模型。其次进行设计，此时要考虑模型的不确定性，对设计的控制器性能进行分析。最后进行实现，通过对设计中没有考虑到的不确定性，进行补偿来调整控制器，以提高控制性能。

基于模型的控制在电动车的应用

康鹏举提到，基于模型的控制，教科书的定义是使用计算数学模型对工业物件或过程进行控制的方法；通用电气公司则定义为，将领域知识应用到实时控制中，每一种控制系统都融合了该领域的产业知识应用。

应用基于模型控制的技术框架，包含H无穷、最优控制(如线性二次型调节器)、动态求逆、模型预测控制、模型参考控制、内模法控制与其他成千上万种方式。而考量的因素从回应时间、寿命、燃料消耗、效率、利润、风险、产出、排放等。基于模型的控制的优点，在于可以处理多输入多输出系统，扩展以包括多个控制目标的稳固性与动态性能等等。具备更好的动态性能，从设备中获取更大的运行能力，同时更长期使用设备。

基于模型控制在电动车控制中的应用上，像电池管理系统中，电池充电状态估计、电池功率和能量的实时预测，电池健康状态的预测。丰田(TOYOTA) Prius混合动力车，就是使用奇异拓朴结构电池组，而奇异首度推出融合电池与超级电容的拓朴结构，可解决突发性间歇性加速问题。

此外，加速驱动系统则对应于：中高性能动态转矩和速度回应、驱动链的效率优化、转矩能力扩展、以及热效应的降级运行及保护等；在储能系统的管理上，像是纯电动车和混合动力车的能量管理，多模式储能系统的控制；在自动故障预测与诊断上，则像是传感器？子部件、子系统？系统与生命周期管理。

基于模型参数整定的控制器(电流、弱磁以及速度环)，能弥补电机制造差异以及电机固有的非线性特性。基于模型的电机驱动系统传感器控制，可以纳入容错控制功能，降低传感器硬件成本、传感器信号互校对及故障检测。基于模型的车载充电器(OBD)，可检测到传感器偏差(>2rad/s)，并实时把系统切换到无速度？位置传感器控制，可以降低转速残差，使控制更加线性化。

以基于模型的控制 提升操控性与安全性

康鹏举指出，基于非线性模型控制的转矩外特性，目前高速行驶时加速动力输出受限，高速时采用方波调变扩展转矩外特性，由于力矩回应与电压角存在非线性关系，从正弦波调变切换成方波调变时，不平滑的切换会造成电流谐振，导致较差的舒适性、潜在的安全问题甚至失控。这类技术问题可藉由基于模型的力矩拓展控制，把力矩-电压角关系一阶线性化，以及基于模型的混合控制方法，可以达到更宽的转矩外特性曲线，更平滑的控制方式切换，进而提升操控性能。

目前在电机转距软保护上，则面临了突加指令下将造成系统电压余裕降低，以及电压饱和造成的电流环失控等技术问题。以基于模型控制的动态指令变化率限幅设计，可使得暂态电压冲击得到抑制，有更安全的电流环控制；基于模型的动态指令变化也可进而提升性能。采用基于模型的传动链效率优化，以在城市停停走走的实际路测情况下，整个传动链平均效率提高了5.6%，能量消耗降低了20.7%。

康鹏举最后总结，通用电气所设计的控制体系结构，从最底层智能仪器表、现场汇流排的设计，往上到嵌入式控制层纳入自我调整？预测控制，以达到优异的性能预测并获得最大的控制效益。

通用电气的控制系统，可协助热燃机面对并克服电网的稳固性、燃料的多样性、效率不稳定性等挑战，及风力发电的负荷控制与风场优化的挑战，并改善燃油机的可定制性与可靠性；并藉由基础模型、数值优化与模型预测控制等方法，输出更大的功率与更高效率，捕获更多的风能，提高燃油机生产率与可使用性。